Les rencontres de la mobilité intelligente 2016

ITS00033
« The new generation of smart power station for electric vehicles»
T. Dubois 1, E. Gilbert 2, C. Mayousse 1, A. Nai Oleari 2, T. Wasselin 2.
1
Altran Research - Orvault (France), 2Altran Research - Paris (France).
1 - Enjeux et objectifs
L’écologie et le respect de l’environnement sont des notions qui prennent chaque
jour un peu plus d’importance, que ce soit du point de vue des utilisateurs ou des
démarches mises en oeuvre par l’État. Dans le cadre de la loi de programme fixant
les orientations de la politique énergétique (loi POPE du 13 juillet 2005), la France
s’est fixée comme objectif de diviser par quatre ses émissions de gaz à effet de serre
à l’horizon 2050 [1]. Le développement de la mobilité verte, de la multi modalité et de
l’utilisation de systèmes partagés, sont les clés du succès de la réduction de
l’empreinte carbone dans les zones urbaines.
Dans cette perspective, le livre blanc des transports prévoit de réduire de moitié
l’usage des voitures utilisant des carburants traditionnels dans les transports urbains
d'ici à 2030; pour les faire progressivement disparaître des villes pour 2050 [2]. Il est
donc imaginable que les véhicules thermiques perdront peu à peu leur place dans
nos villes au profit des véhicules propres, deux ou quatre roues, motorisés ou
assistés.
Malgré la mise en place par l’état de mesures incitatives pour l’acquisition de
véhicules électriques et d’aides financières pour les collectivités territoriales, les
usagers se heurtent au manque de stations de recharge mises à leur disposition et à
l’importance du temps de recharge. Pour parvenir à déployer l’utilisation des
véhicules électriques, des solutions innovantes, qui répondent à ces problématiques,
sont attendues à moyen terme [3] [4].
Quel sera le service de distribution d’énergie de demain qui tiendra compte des
besoins et de la volonté des utilisateurs qui souhaitent se déplacer toujours plus
rapidement, sereinement et de manière écologique ?
Le projet Connect Altran vise à proposer un nouveau concept de station-service
dédiée et pensée pour les usagers de véhicules électriques. Cette station permettrait
aux propriétaires de véhicules électriques de recharger la batterie de leur véhicule à
l’arrêt ou bien de l’échanger rapidement dans le cas d’un deux-roues (vélo à
assistance électrique (VAE) ou scooter).
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2 - Etat de l’art, descriptif de la situation, données existantes
Plusieurs solutions sont proposées pour développer la mobilité électrique en France.
Le nombre de bornes de rechargement filaires dédiées aux automobiles est en plein
essor [5], la France s’étant donnée comme objectif un nombre de 7M d’ici 2030 [6].
Des solutions dédiées aux scooters et aux vélos à assistance électrique (VAE),
parfois autonomes en énergie, voient également le jour [7] [8]. Pour contourner
l’inconvénient du temps de charge assez long propre au rechargement stationnaire,
des stations d’échange de batteries dédiées à un modèle de voitures ou scooters
spécifiques ont été proposées (essai/concept) [9] [10] [11]. Les tentatives de Better
Place et Tesla ne sont pour le moment pas encourageantes, le modèle économique
associé n’étant pas suffisamment abouti [12] [13]. Une autre option permettant de
s’affranchir de l’étape de rechargement est l’utilisation de véhicules électriques en
libre-service. Néanmoins, lorsque la batterie est déchargée, l’utilisateur doit trouver la
station spécifique à son véhicule disposant d’un emplacement libre et d’un véhicule
chargé pour continuer son trajet.
Cette rapide présentation de l’existant met en lumière le fait que de nombreuses
solutions sont actuellement proposées (ou en cours de développement) pour
développer la mobilité électrique.
Même si le rechargement du véhicule au domicile ou sur le lieu de travail des
usagers est à privilégier, des bornes de « secours » devront être disponibles en ville.
En analysant les solutions présentées, le premier constat est qu’il n’existe pas de
système complet capable d’accueillir différents types voire modèles de véhicules.
Les systèmes sont principalement dédiés aux automobiles. Toutefois la multiplication
des points d’alimentation pour chaque véhicule risque, à terme, d’encombrer nos
villes et pourrait entraîner la confusion auprès des usagers.
Par ailleurs, la recharge des batteries d’un véhicule étant un processus « long » (au
minimum 30 min), il est primordial de proposer aux usagers des « activités » durant
le temps d’attente. C’est pourquoi il est important de mener une réflexion quant à la
localisation et à l’environnement des stations.
D’autre part, les VAE et certains scooters possèdent généralement une batterie
amovible qui peut être rechargée par l’utilisateur dans son logement. Néanmoins,
outre la contrainte de poids des batteries (pouvant aller jusqu’à 16 kg) qui peut
s’avérer limitante, d’autres aspects tels que la sécurité électrique ou la gestion de la
charge des batteries sont aussi à considérer.
De façon générale, l’augmentation d’un nombre de véhicules électriques aura un
impact sur les besoins en électricité du pays, des solutions permettant un contrôle et
une gestion intelligente de l’énergie seront indispensables [14] [4].
3 - Méthodologies, idées, techniques et méthodes innovantes
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Nos recherches ont été menées pour proposer une solution complète pensée pour
répondre aux attentes des propriétaires de différents types de véhicules électriques
(voiture mais aussi 2-roues électriques), tout en considérant la contrainte du temps
d’attente lié au rechargement de ces derniers. Afin d’être en accord avec les valeurs
associées au développement de la mobilité électrique, nous désirons également
respecter une démarche de développement durable et proposer une solution
« green ». Ceci concerne la phase de conception et la phase d’utilisation grâce à une
gestion intelligente de l’énergie. L’objectif de cette dernière est double : lisser la
consommation au sein de la station pour éviter les pics de surcharge ; consommer
de façon raisonnée. La production d’électricité au sein même de la station pourrait
être l’une des clés du succès, néanmoins, rien ne sera possible sans la participation
des consommateurs. Ainsi, les besoins utilisateurs sont le centre d’attention de la
conception de cette station interactive et connectée. L’analyse fonctionnelle, l’étude
du comportement et de la dynamique des flux d’utilisation des systèmes et la
construction d’un modèle économique incitatif permettent de définir le
dimensionnement idéal des stations selon les emplacements et de promouvoir leur
acceptation par les utilisateurs et les collectivités locales.
4 - Résultats théoriques ou expérimentaux et interprétations
4.1 Les fonctions de la station et le scénario d’utilisation
Pour répondre à nos ambitions décrites précédemment, la station Connect comporte
trois services spécifiques : le rechargement en stationnaire des véhicules électriques,
la fonction échange de batteries pour véhicules 2-roues uniquement (cf. présentation
de l’existant et arrêt des solutions d’échange de batteries auto) et un espace dédié
aux usagers. Il est à noter que le paradigme suivant a été choisi pour cette étude : la
batterie sera la propriété de l’exploitant et l’usager sera propriétaire de son véhicule.
La figure 1 présente un scénario d’usage simplifié de la station Connect qui illustre le
parcours des usagers et l’utilisation possible des différents « organes ».
Grâce à l’application smartphone, un usager peut se renseigner et réserver à
l’avance le type de service dont il a besoin (batterie, borne de rechargement
stationnaire). Une fois arrivé à la station, il est guidé vers son besoin en suivant les
éléments d’orientation.
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Figure 1: Scénario d'usage de la station Connect.
La borne de distribution de batteries a deux fonctions. Premièrement elle permet
d’effectuer l’échange d’une batterie déchargée (de scooter ou vélo) contre une
batterie chargée. Deuxièmement, elle assure la gestion de la recharge des batteries
selon la demande des utilisateurs. Les bornes de rechargement stationnaires doivent
quant à elles permettre aux usagers conducteurs de scooter ou voiture électriques
de les recharger en toute sécurité. Ces bornes stationnaires doivent donc être
compatibles avec plusieurs types et modèles de véhicules.
Des étapes d’identification et de paiement sécurisées seront systématiquement
nécessaires pour l’utilisation des services de recharge.
Pour patienter durant le temps de rechargement, ou simplement par envie, des
services annexes sont également proposés dans la station-service. En effet, la
notion de consomm’acteuri est primordiale pour développer ce concept de station.
C’est pourquoi il a été nécessaire de se pencher sur les points suivants :
1. les services annexes à proposer aux usagers (pour leur donner envie d’utiliser
les stations Connect) ;
i
Ce terme traduit le fait qu’un consommateur a la capacité, grâce à ses choix d’achat, de peser sur l’offre des
producteurs et, donc, de devenir un véritable « acteur » du marché. Source : http://www.smartgridscre.fr/index.php?p=consommacteur-definition
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2. les moyens à mettre en place pour inciter les usagers à ne consommer ii que
selon leur besoin (détaillés en 4.3) ;
3. les moyens à mettre en place pour inciter les usagers à se rendre à la station
durant des plages horaires dites creuses (détaillés en 4.3).
4.2 Le design et les services de la station Connect
La figure 2 illustre les différents éléments de la station Connect. Les designs de
chaque élément ont été pensés pour être intuitifs et ergonomiques pour les usagers ;
le tout s’intégrant dans le paysage urbain. Il est à noter que le nombre de bornes de
rechargement et/ou de bornes de distribution de batteries échangeables variera
selon la localisation des stations.
Figure 2 : Représentation d’ensemble de la station Connect.
Pour faire en sorte que le temps de rechargement du véhicule ne soit pas perçu
comme du temps perdu, la station comprend un espace couvert (hub) où différents
services sont mis à disposition des usagers : tablettes en libre-service, distribution de
boisson/nourriture, bornes de rechargement de téléphones portables ou encore
écrans d’information (figure 3). Ces services sont primordiaux pour permettre
l’acception de Connect aux usagers et assurer une certaine rentabilité économique
pour les collectivités/exploitants.
L’idée est de développer une vie de quartier autour de la station, de rapprocher les
usagers entre eux afin qu’ils se sentent investis et impliqués dans un projet commun.
Ainsi, sur les écrans d’information, il sera possible de consulter l’état du trafic actuel,
les bons plans du quartier, des annonces de covoiturage, des petites annonces
(vente, échange, services à rendre), etc. Les membres du réseau Connect pourront
consulter librement ces informations sur les écrans, mais aussi les faire vivre en
déposant en direct de nouvelles annonces/informations, etc.
ii
Le verbe « consommer » est ici associé à une consommation en électricité
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Figure 3 : Espace « services » de la station Connect.
4.3 Modèle économique incitatif et application smartphone
Dans une société actuelle de plus en plus « connectée », le développement de tout
un concept de communauté « Connect » permettrait d’inciter les usagers à choisir le
réseau de stations Connect et de les impliquer pour une consommation raisonnée de
l’énergie. Comme illustré sur la figure 4, chaque usager, via une application
smartphone, pourra suivre sa consommation énergétique associée au rechargement
de son véhicule, son bilan carbone, etc. et pourra ensuite partager ces informations
avec tous les membres de la communauté. Différents défis sont aussi proposés à
l’usager (ex : recharger le véhicule à certaines heures spécifiques) qui permettent
chacun de gagner des crédits utilisables ensuite au sein de la station (accès gratuit à
un service de la station, à une recharge de batterie, etc.). Les consomm’acteurs les
plus investis et les plus respectueux de l’environnement de la semaine /du mois
seront récompensés.
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Figure 4 : Exemples d'écrans de l'application smartphone CONNECT.
Pour promouvoir l’utilisation des véhicules électriques, il est important d’apporter un
côté ludique et participatif au concept général, les bonnes pratiques de
consommation, initialement faites dans un esprit pseudo compétitif deviendront ainsi
petit à petit des habitudes naturelles. Que ce soit pour inciter l’usager à venir à un
certain moment de la journée ou pour le pousser à ne consommer que ce dont il a
besoin, ces différentes propositions seront étudiées avec attention pour faire partie
intégrante du modèle économique incitatif associé au concept de la station Connect.
En plus de permettre une vue sur sa consommation énergétique, l’application
smartphone associée à la station Connect renseignera l’utilisateur sur la localisation
des stations, sur la disponibilité des systèmes de rechargement stationnaires ou celle
des batteries à échanger dans chaque station. L’utilisateur sera en mesure de
réserver à distance le système de distribution d’énergie répondant à son besoin.
L’application smartphone sera également dotée d’un calcul d’itinéraire multicritères
aidant à sa décision en fonction du niveau de sécurité, de l’autonomie de la batterie
ou encore des points d’intérêt à visiter.
4.3 Modèle dynamique des flux d’utilisation des systèmes
Dans le but de proposer une solution complète et pour s’assurer de l’acception du
concept par les usagers, un autre point clé repose sur le dimensionnement et le
positionnement des stations Connect.
Nous établissons une méthodologie permettant de dimensionner les bornes de
recharge et distribution des batteries de cette nouvelle station de service. Il s’agit, en
effet, d’une méthodologie qui permettra de choisir de façon optimale la position, la
capacité de chaque borne et le nombre de batteries disponibles, en minimisant le
coût d’installation pour les communautés locales tout en rendant le produit attractif
pour les utilisateurs. L’objectif étant de toujours assurer une meilleure disponibilité
des services proposés.
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La méthodologie se base sur la modélisation dynamique des déplacements des
véhicules et des batteries. Pour cela, il est pratique de représenter le réseau comme
un graphe multicouche, où chaque couche correspond à un type de véhicules ou à
un type de batteries. La station Connect n’existant pas actuellement, il est donc
impossible de la modéliser avec les données réelles de flux de véhicules électriques
particuliers et de taux d’utilisation de batteries partagées. Donc, nous avons réalisé
notre étude sur un cas similaire : un réseau de vélos libre-service (VLS) avec
possibilité de location de kits d’électrification (moteur + batterie) amovibles. Dans ce
cas, les données de flux d’utilisation des VLS standards sont disponibles.
Néanmoins, il faudra réaliser des hypothèses quant à leur utilisation en tant que VAE
(i.e. location de kits amovibles). Les connaissances acquises permettront ensuite
d’adapter cette méthodologie au cas Connect.
La démarche est articulée en cinq phases principales qui montent progressivement
en complexité :
1) Modéliser les déplacements des vélos dans un système de VLS actuel grâce
aux données réelles d'utilisation dans une ville donnée.
2) Etudier les coûts associés à l'installation et au dimensionnement des bornes,
afin de déterminer les objectifs d’optimisation.
3) Ajouter les kits d’électrification dans la modélisation du système VLS standard
et définir des premières hypothèses de fonctionnement.
 Choisir la position optimale des bornes de distribution de kits (pour un
nombre de casiers de dépôt de kit par borne et un nombre de kits total
fixes).
4) Affiner le dimensionnement de la borne de distribution (système modélisé de
façon identique à la phase précédente mais avec de nouvelles hypothèses).
 Optimiser le nombre de kits optimal pour chaque borne de distribution
(nombre de casiers de dépôt par borne déterminé mais nombre de kits
proposés à l’échange variable).
5) Dimensionner le réseau de borne de distribution (système modélisé de façon
identique à la phase 3) mais avec de nouvelles hypothèses).
 Optimiser le système de redistribution de vélos et de kits entre les
différentes stations du réseau.
De façon pratique, le système VLS est modélisé comme un graphe orienté, où les
nœuds représentent les différentes stations et les arcs représentent les trajets qui
connectent les stations. Afin de représenter les déplacements des vélos dans un
système de VLS dans une ville donnée, un nouveau modèle dynamique s’inspirant
des modèles de trafic routier en analogie avec les principes de l’hydrodynamique a
été développé. Cela veut dire que les véhicules sont modélisés comme un fluide
circulant dans un système hydraulique.
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La modélisation dynamique des déplacements des vélos libre-service et l’étude des
effets de leur électrification seront validées grâce aux données des déplacements
enregistrées durant 2 ans sur une ville donnée.
5 - Conclusion
Ce document présente un concept nouveau de station-service pour véhicules
électriques dont les services proposés et le modèle économique à venir faciliteront
les collectivités à inciter les citoyens à privilégier la mobilité verte. Connectée,
respectueuse de l’environnement et s‘intégrant dans le paysage urbain, cette station
apporte des solutions pour plusieurs profils d’usagers en un même lieu et permet une
gestion de l’énergie intelligente. De nombreuses actions sont en cours pour affiner ce
concept et proposer des solutions techniques, que ce soit sur le développement de
l’application smartphone, la modélisation du système pour un dimensionnement
optimal du réseau, et la maîtrise de la gestion de l’électricité.
6- Bibliographie
[1] «LOI n° 2005-781 du 13 juillet 2005 de programme fixant les orientations de la politique
énergétique,» [En ligne]. Available:
http://www.legifrance.gouv.fr/affichTexte.do?cidTexte=JORFTEXT000000813253&cate
gorieLien=id.
[2] «Livre Blanc - Feuille de route pour un espace européen unique des transports – Vers
un système de transport compétitif et économe en ressources,» [En ligne]. Available:
http://ec.europa.eu/transport/themes/strategies/doc/2011_white_paper/white_paper_co
m%282011%29_144_fr.pdf.
[3] «Rapport fait au nom de la Commission des Affaires Economiques sur la proposition de
loi facilitant le déploiement d’un réseau d’infrastructures de recharge de véhicules
électriques sur l’espace public (n° 1820),» [En ligne]. Available: http://www.assembleenationale.fr/14/rapports/r1882.asp#P125_15051.
[4] ADEME, «Feuille de route sur les infrastructures de recharge pour les véhicules
électriques et hybrides rechargeables,» [En ligne]. Available:
http://www.ademe.fr/sites/default/files/assets/documents/feuille-route-infrastructuresrecharge-vehicules-2010-6911.pdf.
[5] AVERE, «Bornes de recharge pour véhicules électriques en France : le maillage est en
route !,» 2015. [En ligne]. Available: http://www.averefrance.org/Site/Article/?article_id=6104.
[6] «LOI n° 2015-992 du 17 août 2015 relative à la transition énergétique pour la
croissance verte,» [En ligne]. Available:
http://www.legifrance.gouv.fr/affichTexte.do?cidTexte=JORFTEXT000031044385&date
Texte=&categorieLien=id.
[7] «Site web entreprise Advansolar,» [En ligne]. Available: http://www.advansolar.com/.
[8] G. Barbieri, «Stations de recharges pour véhicules électriques,» [En ligne]. Available:
http://fr.giuliobarbieri.it/produits/station-de-recharge.
[9] «Site web entreprise Gogoro,» [En ligne]. Available: http://www.gogoro.com/gostation.
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[10] MATRA, «Matra présente BAT’LIB®,» [En ligne]. Available:
http://matra.com/article/matra_presente_bat_lib/.
[11] TESLA, «Battery Swap Pilot Program,» [En ligne]. Available:
https://www.teslamotors.com/blog/battery-swap-pilot-program.
[12] «Better Place, partenaire de Renault, en faillite,» 2013. [En ligne]. Available:
http://www.lefigaro.fr/societes/2013/05/27/20005-20130527ARTFIG00613-better-placepartenaire-de-renault-en-faillite.php.
[13] «Elon Musk's reality check on Tesla battery swap stations,» [En ligne]. Available:
http://www.autoblog.com/2015/06/12/elon-musk-reality-check-tesla-battery-swapstation-video/.
[14] C. d. R. d. l. Energie, «Les véhicules électriques,» [En ligne]. Available:
http://www.smartgrids-cre.fr/index.php?p=vehicules-electriques.
Brève biographie des présentateurs
Biographie Céline MAYOUSSE
Céline MAYOUSSE est chef de projet Altran Research à Nantes. Docteur de
l'Université de Grenoble en Sciences de Matériaux depuis Septembre 2014, Céline
MAYOUSSE a réalisé sa thèse au CEA/LITEN sur la réalisation d'électrodes
transparentes à base de nanomatériaux pour des applications opto-électroniques.
Publications :
- C. Mayousse, C. Celle, A. Carella, and J-P. Simonato. Synthesis and purification of
long copper nanowires. Application to high performance flexible transparent
electrodes with and without PEDOT:PSS, Nano Research. 3 315-324 (2014)
- C. Mayousse, C. Celle, A. Fraczkiewicz, and J-P. Simonato. Stability of silver
nanowire based electrodes under environmental and electrical stresses. Nanoscale
7 2107-2115 (2015)
Biographie Edouard GILBERT
Edouard GILBERT est responsable scientifique du programme mobilité d'Altran
Research à Paris. Docteur de l'Université d'Orléans en Science des Matériaux
depuis Décembre 2010, Edouard GILBERT a travaillé durant sa thèse pour la société
BATSCAP dans le domaine des supercondensateurs pour application automobile.
- Publication: M.Deschamps, E.Gilbert, P.Azais, E.Raymundo-Pinero, M.R.Ammar,
P.Simon, D.Massiot, F.Béguin; Exploring electrolyte organization in supercapacitor
electrodes with solid-state NMR, Nature Material.12 351–358 (2013)
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